一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法及应用，将糠醛渣或用甲醇处理过的糠醛渣经粉碎、过筛、干燥后，与过硫酸铵在玛瑙研钵中均匀混合，然后将均匀混合的样品置于管式炉后在惰性气氛中碳化得到碳化产物，最后将碳化产物用去离子水洗涤，真空干燥即得到糠醛渣氮硫双掺杂活性炭。本发明专利技术以来源丰富的废弃生物质资源糠醛渣为原料，生产工艺简单易行，有利于废弃生物资源充利用。本发明专利技术方法操作流程简单，氮硫元素掺杂比例易调控，制得的糠醛渣活性炭的得率高且其被用作电容器电极材料时能量密度与功率密度优异。

【技术实现步骤摘要】
一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法及应用
本专利技术属于废弃生物质资源开发利用和超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法及应用。
技术介绍
天然的生物质具有的精细结构是人工不能合成的。天然多尺度结构如果能较好保留将赋予生物质碳材料更好的电化学性能。超级电容器电极材料主要有过渡金属氧化物、导电聚合物以及各种碳基材料。然而，制备这些碳材料往往需要昂贵的、不可再生的原材料，高成本的无机模板，繁杂的制备步骤或长的制备时间与高的能量消耗。生物质原料可再生、来源广泛且价格低廉，是制备多孔碳材料的首选碳源，也是最具前景的超级电容器电极材料。用废弃生物质糠醛渣制备的碳材料具有导电性能好、比表面积大、化学性质稳定等优点。专利CN105788876A公开了一种制备生物质多孔氮掺杂碳材料的工艺以及超级电容器电极的制备方法，使用氨气及水蒸气对于生物质进行活化及氮掺杂，所得生物质碳最大质量比电容为340F/g。文献1(NanoEnergy,2016,19:165-175.)与文献2(GreenChemistry，2015,17(3)：1668-1674.)中虽然制备了氮硫双掺杂活性炭，但是它们利用的是生物质本身含有的氮和硫元素，最后掺杂到活性炭上的氮和硫元素的量是不可调的，以文献2为例，当选用一种材料时，最终制的得氮硫双掺杂活性炭得氮元素与硫元素的摩尔比的比值为定值2.268。文献3(JournalofPowerSource,331:373-381.)利用硫代硫酸钠作为掺杂剂，在热解过程中，硫代硫酸钠既作为掺杂剂又作为爆炸物来制备氮硫双掺杂多孔片状碳，但反应剧烈，不易控制，且氮元素与硫元素的摩尔比的比值为定值3.649，氮、硫元素的量同样是不可调控的。受限于生物质本身的结构特性，已报道生物质存在孔结构不规律，比表面积较小，掺杂原子含量少，比容量低等问题。因此，研究一种得率高、氮硫元素掺杂比例易调控且被用作电容器电极材料时比电容高的糠醛渣碳材料的制备方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法及其应用。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将糠醛渣或改性糠醛渣进行粉碎、过筛及干燥处理；步骤2：将步骤1中的干燥产物与过硫酸铵均匀混合；步骤3：将步骤2中的混合物放置于炉中在惰性气氛中碳化得到碳化产物；步骤4：将碳化产物用去离子水洗涤，过滤干燥后，即得糠醛渣用氮硫双掺杂活性炭。进一步，所述步骤1中改性糠醛渣为糠醛渣与甲醇溶液按质量比1:3～5混合，经300rpm转速均匀搅拌过夜，用布氏漏斗抽滤甲醇3～5次，然后60℃干燥24h即得。糠醛渣主要由纤维素、木质素、挥发性有机化合物和灰分组成。为了尽量减少挥发性有机物产生的腐殖质的负面影响，采用该质量比范围内的甲醇预处理来去除挥发性有机物，得到改性糠醛渣。进一步，所述糠醛渣或改性糠醛渣与过硫酸铵的质量比为1:2～4。采用该质量比范围内的过硫酸铵，有利于糠醛渣或改性糠醛渣在活化过程中产生大量孔隙结构，可大大提高其比表面积，而过硫酸铵质量比重太大就会造成碳材料结构不稳定，影响其循环稳定性。氮和硫等原子的加入能够改变碳原子的电子云分布，增加碳材料与电解质溶液的润湿性等特性，有利于增加碳材料的电化学性能，提高其用作电容器的电极材料时的法拉第电容。本专利技术利用过硫酸铵作为掺杂剂，可以通过调节过硫酸铵与糠醛渣或改性糠醛渣的比例，从而实现对于掺杂的氮、硫元素的比例的控制，进而使得其用作超级电容器的电极材料时的比电容也可在一定范围内调节，克服了现有技术中两种元素的比例由材料直接决定无法调整的缺陷。氮硫双掺杂活性炭中硫元素使糠醛渣或改性糠醛渣活性炭的表面极性更强，得到了导电性与电化学性能显著提高的片状活性炭材料。现有技术由于生物质材料本身硫元素含量不高的原因，制备的氮硫双掺杂活性炭中硫元素的含量一般较低，采用本专利技术的方法能够制得硫元素含量较高的氮硫双掺杂糠醛渣或改性糠醛渣活性炭。进一步，所述步骤2碳化温度为800～1000℃，升温速率为2～5℃/min，保温时间为2～3h。采用该温度和升温速率范围内碳化，可以使糠醛渣或改性糠醛渣的挥发物质充分反应、除湿，充分碳化，得到更多的作用位点。进一步，所述糠醛渣或改性糠醛渣用高能粉碎机进行粉碎处理，转速为1000r/min～3000r/min，时间为1min～3min。采用高能粉碎机可以使糠醛渣或改性糠醛渣在机械力作用下产生局部破坏并形成各种缺陷，导致其内能增大，提高预碳化过程中的反应活性。进一步，所述过筛为过150目筛。采用该粒度范围内的糠醛渣或改性糠醛渣原料，可以增强其与过硫酸铵的接触面积，使活化过程更加的均匀、充分。一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的应用，其特征在于：应用于超级电容器电极材料。本专利技术制备得到的糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料作为超级电容器电极材料，能显著提高电极容量。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术采用糠醛渣生物质作为炭源，原料来源广，成本低廉，产生的经济效益高。2、本专利技术的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，工艺流程简单、操作简便，氮硫元素掺杂比例易调控，且能够有效提高制得的糠醛渣或改性糠醛渣活性炭的得率，有着广阔的市场前景。本专利技术糠醛渣多孔活性炭的制备方法操作简单。3、本专利技术制备得到的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料能量密度与功率密度优异、使用过程无毒性无危害、循环使用寿命长的特点，是一种理想的超级电容器电极材料，具有良好的应用前景。附图说明：图1为本专利技术实施例1制备的氮硫双掺杂活性炭的扫描电镜(SEM)图像；图2为本专利技术实施例1制备的氮硫双掺杂活性炭的X射线光电子能谱(XPS)全谱图；图3为以本专利技术实施例1制备的氮硫双掺杂活性炭为工作电极，在三电极体系下，在不同扫描速度下的循环伏安图；图4为以本专利技术实施例1制备的氮硫双掺杂活性炭为工作电极，在三电极体系下，在不同电流密度下的恒流充放电图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。这些实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于本实施例。实施例1一种糠醛渣用氮硫双掺杂活性炭材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将糠醛渣用高能粉碎机进行粉碎处理，转速为2000r/min，时间为1min，然后过150目筛60℃干燥12h；(2)将干燥产物与甲醇溶液按质量比1:5混合，300rpm转速均匀搅拌过夜，用布氏漏斗抽滤甲醇5次，然后60℃干燥24h得到改性糠醛渣；(3)将改性糠醛渣与过硫酸铵按质量比1:3在玛瑙研钵中均匀混合；(4)将均匀混合的样品放于镍坩埚中，然后置于管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：将糠醛渣或改性糠醛渣进行粉碎、过筛及干燥处理；/n步骤2：将步骤1中的干燥产物与过硫酸铵均匀混合；/n步骤3：将步骤2中的混合物置于炉中在惰性气氛下碳化得到碳化产物；/n步骤4：将碳化产物用去离子水洗涤，过滤干燥后，即得糠醛渣用氮硫双掺杂活性炭。/n

【技术特征摘要】
1.一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将糠醛渣或改性糠醛渣进行粉碎、过筛及干燥处理；
步骤2：将步骤1中的干燥产物与过硫酸铵均匀混合；
步骤3：将步骤2中的混合物置于炉中在惰性气氛下碳化得到碳化产物；
步骤4：将碳化产物用去离子水洗涤，过滤干燥后，即得糠醛渣用氮硫双掺杂活性炭。


2.根据权利要求1所述的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中改性糠醛渣为糠醛渣与甲醇溶液混合搅拌改性后，经过滤、干燥所得。


3.根据权利要求2所述的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于：所述糠醛渣与甲醇溶液按质量比1:3～5混合。


4.根据权利要求2所述的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法，其特征在于：所述糠醛渣与甲醇溶液混合后经300rpm转速均匀搅拌过夜，用布氏漏斗抽滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔岩，郭晓樱，王英雄，
申请(专利权)人：中国科学院山西煤炭化学研究所，
类型：发明
国别省市：山西;14